Litiumjonbatterier (LIB) är en vanlig typ av laddningsbara batterier. Deras mångsidiga karaktär och många tillämpningar i alla typer av elektroniska enheter – från mobiltelefoner till bilar – gör att de verkar för bra för att vara sanna. Och kanske är de:nyligen, det har skett en ökning av antalet brandrelaterade incidenter i samband med LIB, speciellt under laddning, orsakar allvarlig oro över deras säkerhet. Forskare vet nu att dessa incidenter kan bero på användningen av en trasig eller otillåten laddare. Ofta, felaktig användning av dessa laddare och överladdning kan leda till bildandet av taggiga strukturer på batteriets negativa elektrod, kallas "litium (Li) dendriter, " som tränger igenom barriären mellan de negativa och positiva elektroderna och orsakar en kortslutning. att titta på exakt hur dendritbildning sker är avgörande för att förbättra säkerheten för LIB.

Forskare vid Okayama University, leds av docent Kazuma Gotoh, tog nyligen ett steg i denna riktning, i en ny studie publicerad i Journal of Materials Chemistry A . De grävde i att hitta den exakta mekanismen för dendritbildning i LIBs, i ett försök att övervinna deras begränsningar och göra deras praktiska tillämpning enklare. Dr Gotoh förklarar, "Vi ville analysera bildandet av metalldendriter i sekundära (uppladdningsbara) batterier och bidra till att förbättra batteriernas säkerhet."

Tidigare studier som försökte förstå processen för Li-dendritbildning var framgångsrika i viss utsträckning:de avslöjade att när batteriet är i ett överladdat tillstånd, dendritbildning sker i överlitieringsfasen av battericykeln. Men, dessa experiment utfördes ex situ (utanför den faktiska elektrokemiska miljön), och den exakta tidpunkten för början av dendritbildning hittades inte. I deras nya studie, Dr. Gotoh och hans team bestämde sig för att övervinna denna begränsning. De ansåg att genom att tillämpa operandometoder (som replikerar den elektrokemiska miljön) på en analytisk teknik som kallas kärnmagnetisk resonans (NMR), de kan exakt spåra Li-atomerna i den inre strukturen av material, vilket inte är möjligt när man använder ex situ-metoder.

Genom att använda denna teknik, teamet hade tidigare lyckats observera de överladdade tillstånden hos två typer av negativa elektroder – grafit- och hårdkolelektroder – i överlithieringsfasen av en LIB. I den nya studien, de tog detta till nästa nivå genom att observera tillståndet för dessa elektroder under lithiation och delithiation (batteriets laddnings- och urladdningscykel). Deras NMR-analys hjälpte dem att spåra den exakta starttiden för dendritbildning och Li-avsättning i det överladdade batteriet, för både grafit- och hårdkolelektroderna. I grafit, de fann att Li-dendriterna bildades strax efter att den fullständigt lithierade fasen av elektroden inträffade. I den hårda kolelektroden - i motsats - observerade de att dendriter bildas först efter att kvasimetalliska Li-kluster förekommer i porerna av hårt kol. Således, forskarna drog slutsatsen att när batteriet är överladdat, den kvasimetalliska Li-klusterbildningen fungerar som en buffert för bildningen av Li-dendriter i hårda kolelektroder. De tillämpade till och med samma analys på en annan typ av laddningsbart batteri, kallas natriumjonbatteri (NIB), och hittade liknande resultat. Dr Gotoh förklarar, "Vi fann att vissa kolmaterial med inre porer (som amorft kol) har en bufferteffekt för avsättningen av Li- och Na-dendriter under överladdning av batterier. Denna kunskap kommer att spela en viktig roll för att säkerställa säkerheten för LIB:er och NIB."

Genom att avslöja krångligheterna hos dendritbildningsmekanismerna i LIBs och NIBs, Dr. Gotoh och hans team ger användbar insikt om deras säkerhet. Faktiskt, forskarna är optimistiska om att deras resultat kan tillämpas på andra typer av laddningsbara batterier i framtiden. Dr. Gotoh avslutar, "Våra resultat kan tillämpas inte bara på LIBs och NIBs utan också på nästa generations sekundära batterier som alla solid state-batterier. Detta är ett viktigt steg för att göra deras praktiska tillämpning enklare."

Med resultaten av denna nya studie, vi kan hoppas att vi möjligen är ett steg närmare att förverkliga vår dröm om verkligt hållbara energiresurser.